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你真的懂ThreadPoolExecutor线程池技术吗?看了源码你会有全新的认识

来源:salon365登录   发布时间:2019-06-26   点击量:470

Java是一门多线程的语言,基本上生产环境的Java项目都离不开多线程。而线程则是其中最重要的系统资源之一,如果这个资源利用得不好,很容易导致程序低效率,甚至是出问题。

有以下场景,有个电话拨打系统,有一堆需要拨打的任务要执行,首先肯定是考虑多线程异步去执行。假如我每执行一个拨打任务都new一个Thread去执行,当同时有1万个任务需要执行的时候,那么就会新建1万个线程,加上线程各种初始销毁等操作,这个消耗是巨大的。而其实往往实现这些功能的时候,并不是完全需要实时马上完成,只是希望在可控范围内尽量提高执行的并发性能。

因此线程池技术应用而生,Java中最常用的线程池技术就是ThreadPoolExecutor。接下来就整体看看ThreadPoolExecutor的实现。这个类的注解非常多,很多也是重点,所以就不从注解开始看起。先从使用说起,有个概念先。

基本使用

// 核心线程 int corePoolSize = 5; // 最大线程 int maximumPoolSize = 10; // 线程空闲回收时间 int keepAliveTime = 30; // 线程空闲回调时间单位 TimeUnit unit = TimeUnit.SECONDS; // 队列大小 int queueSize = 20; // 队列 BlockingQueue workQueue = new ArrayBlockingQueue<Runnable>(queueSize); ThreadPoolExecutor executor = new ThreadPoolExecutor(corePoolSize, maximumPoolSize, keepAliveTime, unit, workQueue); executor.execute(() -> { // do something 1 }); executor.execute(() -> { // do something 2 });

定义好一些必要的参数,构建一个ThreadPoolExecutor对象。然后调用对象的execute()方法即可。参数说明:

corePoolSize,线程池保留的最小线程数。如果线程池中的线程少于此数目,则在执行execut()时创建。maximumPoolSize,线程池中允许拥有的最大线程数。keepAliveTime、unit,当线程闲置时,保持线程存活的时间。workQueue,工作队列,存放提交的等待任务,其中有队列大小的限制。

线程管理机制

非常多人误解了corePoolSize、maximumPoolSize、workQueue的相互关系。不少人认为无论队列选择什么,corePoolSize和maximumPoolSize一定是有用,定义一定是生效的,其实并不然啊!看下线程基本规则注解说明

    默认情况下,线程池在初始的时候,线程数为0。当接收到一个任务时,如果线程池中存活的线程数小于corePoolSize核心线程,则新建一个线程。如果所有运行的核心线程都都在忙,超出核心线程处理的任务,执行器更多地选择把任务放进队列,而不是新建一个线程。如果一个任务提交不了到队列,在不超出最大线程数量情况下,会新建线程。超出了就会报错。

另外,如果想在线程初始化时候就有核心线程,可以调用prestartCoreThread()或prestartAllCoreThread(),前者是初始一个,后者是初始全部。

再看看排队策略

直接提交,用SynchronousQueue。特点是不保存,直接提交给线程,如果没没线程,则新建一个。无限提交,用类似LinkedBlockingQueue无界队列。特点是保存所以核心线程处理不了的任务,队列无上限,最大线程也没用。有限提交,用类似ArrayBlockingQueue有界队列。特点是可以保存超过核心线程的任务,并且队列也是有上限的。超过上限,新建线程(满了抛错)。更好地保护资源,防止崩溃,也是最常用的排队策略。

从以上规则可以看出来,核心线程数和最大线程数,还有队列结构是相互影响的,如何排队,队列多大,最大线程是多少都是不一定的。

再看看保持存活机制当超过核心线程数的线程,线程池会让该线程保持存活keepAliveTime时间,超过该时间则会销毁该线程。另外默认对非核心线程有效,若想核心线程也适用于这个机制,可以调用allowCoreThreadTimeOut()方法。这样的话就没有核心线程这一说了。

综合以上,线程池在多次执行任务后,会一直维持部分线程存活,即使它是闲置的。这样的目的是为了减少线程销毁创建的开销,下次有个任务需要执行,直接从池子里拿线程就能用了。但核心线程不能维护太多,因为也需要一定开销。最大的线程数保护了整个系统的稳定性,避免并发量大的时候,把线程挤满。工作队列则是保证了任务顺序和暂存,系统的可靠性。线程存活规则的目的和维护核心线程的目的类似,但降低了它的存活的时间。

另外还有拒绝机制,它提供了一些异常情况下的解决方案。

ctl线程状态控制

这个ctl变量是整个线程池的核心控制状态。这个ctl代表了两个变量

workerCount,生效的线程数。基本可以理解为存活的线程,但某个时候有暂时性的差异。runState,线程池的运行状态。其中,ctl(int32位)的低29位代表workerCount,所以最大线程数为(2^29)-1。另外3位表示runState。

runState有以下几种状态:

RUNNING:接收新任务,处理队列任务。SHUTDOWN:不接收新任务,但处理队列任务。STOP:不接收新任务,也不处理队列任务,并且中断所有处理中的任务。TIDYING:所有任务都被终结,有效线程为0。会触发terminated()方法。TERMINATED:当terminated()方法执行结束。

当调用了shutdown(),状态会从RUNNING变成SHUTDOWN,不再接收新任务,此时会处理完队列里面的任务。如果调用的是shutdownNow(),状态会直接变成STOP。当线程或者队列都是空的时候,状态就会变成TIDYING。当terminated()执行完的时候,就会变成TERMINATED。

execute()

带着对上面的规则与机制的认识,现在从就这这个入口开始看看源码,到底整个流程是怎么实现的。

    如果少于核心线程在跑,用这个任务尝试创建一个新线程。如果一个任务成功入队,再次检查下线程池状态看是否需要入队,因为可能在入队过程中,状态发送了变化。如果确认入队且没有存活线程,则新建一个空线程。如果进不了队,则尝试新建一个线程,如果都失败了。拒绝这个task对于第二点最后为什么新建一个线程?很容易猜想到,会有一个轮询的机制让下个task出队,直接利用这个空闲线程。

注释基本解释了所有代码,代码也没什么特别的。其中最主要的还是addWoker()这个方法,下面来看看。

addWoker()

先了解下这个方法的整体思路从描述可知,addwoker失败,会在线程池状态不对、线程满了或者线程工厂创建线程池失败时候发生。这个方法比较长,分两段看。先看第一段。retry:这种写法,如果比较少看源码的,应该是前所未见的了。这是个循环的位置标记,是java的语法之一。看回代码,这里面for循环还嵌套里一个for循环,而retry:是标记第一个for循环的,后面breakcontinue语句都指向到了retry。说明breakcontinue是都是操作外层的for循环。retry可以是任何变量命名合法的字符。

然后看看外出for循环的if语句这个if判断想要执行到return false;,队列为空是一个必要条件。因为addWork()不单只接收新任务会调用到,处理队列中的任务也会调用到。而前面提到SHUTDOWN状态下还会处理队列中的任务的,所以队列不为空是会让它继续执行下去的。

对于内层的for循环会先判断worker的数据是否符合corePoolSize和maximumPoolSize的定义,不满足则返回失败。然后尝试CAS让workerCount自增,如果CAS失败还是继续自旋去自增,直到成功。除非线程池状态发生了变化,发退回到外层for循环重新执行,判断线程池的状态。

第一段的代码,就是让workerCount在符合条件下自增

第二段代码这段比较好理解,先创建一个Worker对象,这个Worker里面包含一个由线程工厂创建的线程,和一个需要执行的任务(可以为空)。如果线程创建成功了,那么就加一个重入锁去把这个新建的Worker对象放到workers成员变量中,在加入之前需要重新判断下线程池的状态和新建线程的状态。如果worker添加到workers成员变量中,就启动这个新建的线程。最后如果添加失败,则执行addWorkFailed(w)如果失败了,加锁操作回滚下wokers、workerCount,然后判断下状态看看是否需要终结线程池。

addWorker()大概的流程就这样。

总结

对于其他方法,没有什么特别的,在此不再过多的叙述,有兴趣的可以翻翻源码阅读下。回顾总结下上面的核心要点

    当核心线程满且忙碌时,线程池倾向于把提交的任务放进队列,而不是新建线程。根据选择队列的不同,maximumPoolSize不一定有用的。具体有三种不同的策略。ctl是线程池的核心控制状态,包含的runState线程池运行状态和workCount有效线程数。retry:是一种标记循环的语法,retry可以是任何变量命名合法字符。

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